CN110499036A - 一种纳米改性沥青及其制备方法 - Google Patents

一种纳米改性沥青及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米改性沥青及其制备方法，属于沥青材料技术领域，解决了现有技术中沥青材料耐久性差、易降解的问题。本发明的纳米改性沥青，以质量份数计，其原料包括：基质沥青，100份；SBS，1～5份；纳米材料，0.5～6份；表面活性剂，0.5～4份；交联稳定剂，0～1份。本发明的纳米改性沥青及其制备方法提高了路面沥青材料的耐久性，改善了沥青的针入度、软化点、延度等指标，抗老化性能好，延长沥青路面的使用寿命。

Description

一种纳米改性沥青及其制备方法
技术领域
本发明涉及路面沥青材料技术领域，尤其涉及一种纳米改性沥青路面材料及其制备方法。
背景技术
沥青路面由于具有行车舒适、便于维修、不扬尘、噪音小等优点而广泛应用于高等级公路路面，路面作为道路直接与行车发生关系的“界面”，其工程质量具有特殊重要的意义。沥青路面损坏的原因，除了设计、施工等方面的原因外，沥青材料性能是非常重要的影响因素。沥青材料受到高温、氧、水分、紫外线及微生物等因素的影响而发生老化。老化沥青变硬变脆，影响沥青路面的路用性能。
聚合物改性沥青己成为沥青改性材料的发展方向，尤其是SBS改性沥青以优良的路用性能得到广泛应用，其在我国及世界范围内的沥青改性剂中所占的比例已达到50％以上。然而，聚合物改性沥青仍然存在着易老化、易降解的缺陷，不能满足对沥青路面耐久性的需求，尚不能满足现代交通对长寿命沥青路面的要求，无法适应繁重的交通荷载，提供优越的路面质量。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种纳米改性沥青及其制备方法，用以解决现有沥青材料耐久性差、易降解的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术申请实现的：
本发明提供了一种纳米改性沥青，以质量份数计，其原料包括：基质沥青，100份；SBS，1～5份；纳米材料，0.5～6份；表面活性剂，0.5～4份；交联稳定剂，0-1份。
进一步地，纳米改性沥青原料以质量分数计，纳米改性沥青的原料以质量份数计：基质沥青，100份；SBS，2～3份；纳米材料，2～4份；表面活性剂，1.5～2.5份；交联稳定剂，0.2～0.5份。
进一步地，基质沥青为70号道路石油沥青；70号基质沥青应用最多，适用范围广。
SBS优选线型SBS，嵌段比S与B的比值为20：80～40：60。
纳米材料为纳米CaCO3，纳米SiO2，纳米ZnO，纳米TiO2中的一种或几种的混合物；其中，CaCO3有补强的作用，SiO2有改善高温性能的作用，ZnO有改善老化的作用，TiO2有降解尾气的作用。
进一步地，纳米粒子尺寸在10～100nm之间。纳米材料尺寸过小，会导致生产成本的增加，纳米材料尺寸过大，将失去纳米效应，在50～80nm范围内，在表面活性剂的作用下，纳米材料可以很好分散在沥青材料中。
表面活性剂为聚氧乙烯型或多元醇型的非离子表面活性剂，优选多元醇型表面活性剂。多元醇型表面活性剂为非离子氟碳表面活性剂、烷基醇酰胺型、蔗糖酯、失水山梨醇酯中的一种或几种的混合物，优选失水山梨醇酯型非离子表面活性剂((Span)型非离子表面活性剂)。
交联稳定剂为硫磺和含硫有机化合物中的一种或几种的混合物，优选硫磺且硫磺以8硫环形式存在(S8)。
本发明提供一种纳米改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按照质量份数称取基质沥青、SBS、纳米材料、表面活性剂、交联稳定剂原料；
步骤2、将基质沥青加热并保温；
步骤3、将SBS、纳米材料和表面活性剂依次加入基质沥青中，混合搅拌，得到共混物；
步骤4、将上述共混物利用胶体磨或剪切机进行第一次剪切研磨；
步骤5、将交联稳定剂加入剪切研磨后的混合物中搅拌均匀，进行第二次剪切研磨后，得到纳米改性沥青。
一种纳米改性沥青的制备方法，所述步骤2中，基质沥青的加热温度范围是120～160℃，优选140～155℃。
进一步地，一种纳米改性沥青的制备方法，所述步骤3中，SBS改性剂、纳米材料和表面活性剂加入基质沥青后，搅拌时间设定在30～60min，。搅拌温度控制在160～190℃，优选170～180℃。若搅拌温度过低，不利于各种添加剂的分散，温度过高，会导致基质沥青的老化，影响沥青的使用性能，因此设定搅拌温度为170～180℃最佳。
搅拌时间设定30min以上，保证各种添加剂在基质沥青中充分的混合均匀，达到一个分散稳定的状态，不出现团聚和结块现象。根据搅拌时的混合状态调整搅拌时间，搅拌时间过长，不利于能耗的降低，设定时间上限为60min，优选40～45min最佳。
进一步地，步骤4中，第一次研磨过程剪切机的转速设定为4000～6000r/min，优选5000～5500r/min。剪切时间设定为10～20min，按照每2～3min增加500～1000r/min的速度递增。第一次剪切研磨过程可以帮助各种添加剂更好的均匀分散在沥青中。
进一步地，步骤5中，交联稳定剂加入沥青混合物后，搅拌时间设定在5～10min，第二次研磨过程剪切机转速设定为6000～8000r/min，优选6500～7500r/min。剪切时间设定为10～15min，按照每2～3min增加1000～1500r/min的速度递增。第二次研磨过程，可以保证交联稳定剂可以均匀分散到改性沥青中。剪切时间短，剪切速度低，无法保证交联稳定剂在沥青中的均匀分散；剪切时间过长，剪切速度高，会造成生产周期的增加和能源的浪费。过高的剪切速度还会对沥青材料的结构造成破坏。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果：
(a)本申请的沥青原料改善了沥青的针入度、软化点、延度等指标。纳米CaCO3和纳米SiO2的加入使沥青针入度变小，软化点升高；ZnO和TiO2增加沥青的延度，从而提高了沥青的老化性能；表面活性剂提高沥青的延度。同时，SBS的加入会提升延度和软化点，降低针入度。
(b)纳米二氧化钛具有紫外线吸收能力，可降低光照对沥青材料的影响，提高沥青材料的抗老化性能，同时具备降解汽车尾气的作用，可以满足隧道等光照不足条件下的尾气降解需求。纳米碳酸钙具有较高的抗压强度，可提高沥青材料的机械强度；表面活性剂加入沥青组分中，可改善沥青组分与纳米材料之间相容性，增加沥青材料各组分之间的交联力，提高沥青材料的抗裂性能及抗剪切性能，进而提高沥青材料的机械性能。
(c)本申请的沥青材料制备工艺合理、步骤简单、易于工业大规模使用。本申请采用70号基质沥青应用多，适用范围广，且改善改性沥青性能。沥青经加热基质沥青后将SBS、纳米材料和表面活性剂依次加入基质沥青中得到共混物，共混物经过两次的剪切研磨后即可得到改性沥青。
本发明中，上述各技术申请之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合申请。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书中所特别指出的内容中来实现和获得。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的技术申请进行详细的说明。改性沥青中各组分的含量以外掺法计算。一种纳米改性沥青，以质量分数计，原料包括：基质沥青，100份；SBS，1～5份；纳米材料，0.5～6份；表面活性剂，0.5～4份；交联稳定剂，0-1份。
一种纳米改性沥青的制备方法，包括以下步骤
步骤1、按照质量份数称取基质沥青、SBS、纳米材料、表面活性剂、交联稳定剂原料；
步骤2、将基质沥青加热并保温；基质沥青加热温度范围是120～160℃；
步骤3、将SBS、纳米材料和表面活性剂依次加入基质沥青中，混合搅拌，得到共混物；搅拌时间设定在30～60min。搅拌温度控制在160～190℃。
步骤4、将上述共混物利用胶体磨或剪切机进行第一次剪切研磨；研磨过程剪切机的转速设定为4000～6000r/min，剪切时间设定为10～20min。
步骤5、将交联稳定剂加入剪切研磨后的混合物中搅拌均匀，进行第二次剪切研磨后，得到纳米改性沥青。
实施例所选沥青为70号石油沥青，25℃下，沥青针入度为68(0.1mm)，软化点49℃，10℃延度48cm。
实施例1
本实施例纳米改性沥青原料按照质量分数计为：70号道路石油沥青100份，SBS：2份，纳米CaCO3：1份，纳米ZnO：0.5份，纳米TiO2：0.5份。Span80：3份，硫磺类交联剂：0.4份。
将500g基质沥青加热到150℃，加入10g的SBS，然后依次加入5g纳米CaCO3、2.5g纳米ZnO和2.5g纳米TiO2，再加入15g Span80，升温至180℃，搅拌40min，进行第一次剪切，最高剪切速率5000r/min，剪切时间15min，加入2g的交联剂后，进行第二次剪切，最高剪切速率7000r/min，剪切时间10min。完成样品的制备。
实施例2
本实施例纳米改性沥青原料按照质量分数计为：70号道路石油沥青100份，SBS：3份，纳米CaCO3：2.5份，纳米TiO2：1份。Span60：3份，硫磺类交联剂：0.5份。
将500g基质沥青加热到145℃，加入15g的SBS，然后依次加入7.5g纳米CaCO3，5g纳米TiO2，再加入15g Span60，升温至180℃，搅拌45min，进行第一次剪切，最高剪切速率5000r/min，剪切时间20min，加入2.5g的交联剂后，进行第二次剪切，最高剪切速率7500r/min，剪切时间10min。完成样品的制备。
实施例3
本实施例纳米改性沥青原料按照质量分数计为：70号道路石油沥青100份，SBS：2份，纳米ZnO：2份，纳米TiO2：1.5份。Span65：3份，硫磺类交联剂：0.3份。
将600g基质沥青加热到155℃，加入12g的SBS，然后依次加入12g纳米ZnO和9g纳米TiO2，再加入18g Span65，升温至185℃，搅拌50min，进行第一次剪切，最高剪切速率6000r/min，剪切时间20min，加入1.8g的交联剂后，进行第二次剪切，最高剪切速率8000r/min，剪切时间15min。完成样品的制备。
实施例4
本实施例纳米改性沥青原料按照质量分数计为：70号道路石油沥青100份，SBS：3份，纳米CaCO3：1.5份，纳米TiO2：2份。Span80：2份，Span60：1.5份，硫磺类交联剂：0.4份。
将400g基质沥青加热到140℃，加入12g的SBS，然后依次加入6g纳米CaCO3，12g纳米TiO2，再加入8g Span80，6g Span60，升温至170℃，搅拌30min，进行第一次剪切，最高剪切速率4000r/min，剪切时间12min，加入1.6g的交联剂后，进行第二次剪切，最高剪切速率6000r/min，剪切时间12min。完成样品的制备。
实施例5
本实施例纳米改性沥青原料按照质量分数计为：70号道路石油沥青100份，SBS：2份，纳米ZnO：1.5份，纳米TiO2：1.5份。Span80：1.5份，Span65：2份，硫磺类交联剂：0.6份。
将500g基质沥青加热到155℃，加入10g的SBS，然后依次加入7.5g纳米ZnO和7.5g纳米TiO2，再加入7.5g Span80，10g Span65，升温至180℃，搅拌35min，进行第一次剪切，最高剪切速率5500r/min，剪切时间18min，加入3g的交联剂后，进行第二次剪切，最高剪切速率7500r/min，剪切时间12min。完成样品的制备。
实施例6
本实施例纳米改性沥青原料按照质量分数计为：70号道路石油沥青100份，SBS：2份，纳米CaCO3：2份，纳米ZnO：0.5份，纳米TiO2：1份。Span60：2份，Span65：1.5份，硫磺类交联剂：0.5份。
将600g基质沥青加热到145℃，加入12g的SBS，然后依次加入12g纳米CaCO3，3g纳米ZnO和6g纳米TiO2，再加入12g Span60、9g Span65，升温至175℃，搅拌30min，进行第一次剪切，最高剪切速率4500r/min，剪切时间13min，加入3g的交联剂后，进行第二次剪切，最高剪切速率6500r/min，剪切时间12min，完成样品的制备。
实施例7
本实施例纳米改性沥青原料按照质量分数计为：70号道路石油沥青100份，SBS：2份，纳米CaCO3：1份，纳米ZnO：1份，纳米TiO2：2份。Span80：1.5份，Span65：1.5份，Span60：1份，硫磺类交联剂：0.4份。
将800g基质沥青加热到150℃，加入16g的SBS，然后依次加入8g纳米CaCO3、8g纳米ZnO和16g纳米TiO2，再加入12g Span80、12g Span65、8g Span60，升温至180℃，搅拌40min，进行第一次剪切，最高剪切速率5000r/min，剪切时间18min，加入3.2g的交联剂后，进行第二次剪切，最高剪切速率7000r/min，剪切时间15min。完成样品的制备。
对比例1
本对比例纳米改性沥青原料按照质量分数计为：70号道路石油沥青100份，SBS：4份，硫磺类交联剂：0.4份。,
将500g基质沥青加热到155℃，加入20g的SBS，升温至180℃，搅拌35min，进行第一次剪切，最高剪切速率5000r/min，剪切时间15min，加入2g的交联剂后，进行第二次剪切，最高剪切速率700r/min，剪切时间12min。完成样品的制备。
表1为实施例1～7所得产品与对比例1所得产品的各项性能测试结果。从表1可以看出，本发明所述的纳米改性沥青材料与常规SBS改性沥青相比，纳米材料的掺入使改性沥青的软化点提高，延度变大，针入度下降，低沥青的高、低温稳定性得到一定改善，温抗裂性能也有了一定的提升，抗老化性能与耐久性有所提高。表明本发明沥青材料的路用性能优越。从表1还可以看出，纳米TiO2的加入，使得沥青的尾气降解作用大幅度提高，且随着纳米TiO2加入量的增大，尾气降解效率也随之升高。可见纳米材料的加入具有很好的针对性，纳米材料的加入可以赋予沥青更多的功能性。
表1本发明纳米改性沥青与普通SBS改性沥青性能对比
表2为在光照不足的条件下进行的尾气降解试验，选择实施例1～7的沥青样品进行试验，并与现有纳米改性沥青进行对比。从表2可以看出，本发明的纳米改性沥青材料在光照不足的条件下的尾气降解效率远高于现有纳米改性沥青的降解效率，而在白天室内环境下，现有纳米改性沥青材料对NOx化合物有一定降解作用，而对HC化合物的降解效率相对较弱，在暗光环境下对NOx化合物和HC化合物的降解作用大幅度下降，说明其不适用于隧道等光线不足的环境。两种环境条件下，现有纳米改性沥青对CO化合物则基本没有降解作用。而本发明所述的纳米改性沥青。在密闭环境的单一光源作用下，对几种有害气体均有一定的降解能力。说明本发明的纳米改性沥青的适应性好，使用的环境更加广泛，所以本发明的纳米改性沥青路面材料具有十分广阔的应用前景。
表2本发明纳米改性沥青与现有样品尾气降解效果对比
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米改性沥青，其特征在于，所述纳米改性沥青的原料以质量份数计包括：基质沥青，100份；SBS，1～5份；纳米材料，0.5～6份；表面活性剂，0.5～4份；交联稳定剂，0～1份。
2.根据权利要求1所述的纳米改性沥青，其特征在于，所述纳米改性沥青的原料以质量份数计包括：基质沥青，100份；SBS，2～3份；纳米材料，2～4份；表面活性剂，1.5～2.5份；交联稳定剂，0.2～0.5份。
3.根据权利要求1所述的纳米改性沥青，其特征在于，所述基质沥青为70号道路石油沥青；
所述SBS为线型SBS，S与B嵌段比为20：80～40：60；
所述纳米材料为纳米CaCO3、纳米SiO2、纳米ZnO和纳米TiO2中的一种或几种的混合物；
所述表面活性剂为聚氧乙烯型的非离子表面活性剂或多元醇型的非离子表面活性剂；
所述交联稳定剂为硫磺和含硫有机化合物中的一种或几种的混合物。
4.根据权利要求3所述的纳米改性沥青，其特征在于，所述多元醇型表面活性剂为非离子氟碳表面活性剂、烷基醇酰胺型、蔗糖酯和失水山梨醇酯中的一种或几种的混合物。
5.根据权利要1～4任一所述的纳米改性沥青，其特征在于，所述纳米材料的粒径为10～100nm。
6.一种纳米改性沥青的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至5任一项所述的纳米改性沥青，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、按照质量份数称取基质沥青、SBS、纳米材料、表面活性剂和交联稳定剂；
步骤2、将基质沥青加热并保温；
步骤3、将SBS、纳米材料和表面活性剂依次加入基质沥青中，混合搅拌，得到共混物；
步骤4、将所述共混物利用胶体磨或剪切机进行第一次剪切研磨；
步骤5、将交联稳定剂加入剪切研磨后的混合物中并搅拌均匀，进行第二次剪切研磨，得到纳米改性沥青。
7.根据权利要求6所述的一种纳米改性沥青的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，基质沥青的加热温度为120～160℃。
8.根据权利要求6所述的一种纳米改性沥青的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，SBS、纳米材料和表面活性剂加入基质沥青后，搅拌时间为30～60min，搅拌温度为160～190℃。
9.根据权利要求6所述的一种纳米改性沥青的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，第一次研磨过程剪切机的平均转速为4000～6000r/min，剪切时间为10～20min，按照每2～3min增加500～1000r/min的速度递增。
10.根据权利要求6-9所述的一种纳米改性沥青的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，交联稳定剂加入沥青混合物后，搅拌时间为5～10min，第二次研磨过程剪切机平均转速为6000～8000r/min，剪切时间为10～15min，按照每2～3min增加1000～1500r/min的速度递增。
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